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DE102015111681B4 - Gas sensor element - Google Patents

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DE102015111681B4
DE102015111681B4 DE102015111681.2A DE102015111681A DE102015111681B4 DE 102015111681 B4 DE102015111681 B4 DE 102015111681B4 DE 102015111681 A DE102015111681 A DE 102015111681A DE 102015111681 B4 DE102015111681 B4 DE 102015111681B4
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DE
Germany
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protective layer
porous protective
gas sensor
sensor element
layer
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DE102015111681.2A
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German (de)
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Hiroki NISHIJIMA
Yoshiharu Miyake
Haruki Kondo
Makoto Nakae
Tooru Takeuchi
Masayuki Tamura
Atsushi Murai
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Denso Corp
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

Gassensorelement (100; 100A), umfassend:einen Erfassungsabschnitt (10), der einen Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper und einem Wärmeerzeugungskörper aufweist, wobei der Feststoffelektrolytkörper mindestens ein Paar Elektroden (4) auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist und der Wärmeerzeugungskörper eine Wärmeerzeugungsquelle (6) beinhaltet; undeine poröse Schutzschicht (20; 20A), die um den Erfassungsabschnitt (10) gebildet ist, wobeidie poröse Schutzschicht (20; 20A) eine Wärmeleitfähigkeit λ in einem Bereich von 0,2 bis 5 W/mK und ein λCpρ in einem Bereich von 5,3 × 10bis 2,1 × 10WJ/mKaufweist, wobei λCpρ ein Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist; und wobeidie poröse Schutzschicht (20; 20A) ferner einen Kapillarradius in einem Bereich von 0,01 bis 10 µm aufweist.A gas sensor element (100; 100A) comprising: a detecting portion (10) having a stack of a solid electrolyte body and a heat generating body, said solid electrolyte body having at least a pair of electrodes (4) on opposite sides thereof and said heat generating body including a heat generating source (6) ; anda porous protective layer (20; 20A) formed around said detecting portion (10), said porous protective layer (20; 20A) having a thermal conductivity λ in a range of 0.2 to 5 W / mK and a λCpρ in a range of 5 , 3 × 10 to 2.1 × 10 WJ / mK, where λCpρ is a product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m) and specific heat Cp (J / gK); and wherein the porous protective layer (20; 20A) further has a capillary radius in a range of 0.01 to 10 μm.

Description

INANSPRUCHNAHME EINER PRIORITÄTUSING A PRIORITY

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldungen JP 2014-147482 , eingereicht am 18. Juli 2014, und JP 2015-091445 , eingereicht am 28. April 2015, deren Inhalt in dieser Anmeldung durch Verweis mit einbezogen wird.The present application claims priority to Japanese Patent Applications JP 2014-147482 , filed on 18 July 2014, and JP 2015-091445 , filed on April 28, 2015, the contents of which are incorporated herein by reference.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement, das beispielsweise an einem Fahrzeug montiert ist und die Sauerstoffkonzentration in Abgas erfasst.The present invention relates to a gas sensor element which is mounted, for example, on a vehicle and detects the oxygen concentration in exhaust gas.

Bisheriger Stand der TechnikPrevious state of the art

In einer Vielzahl von Industriezweigen wurden weltweit vielfältige Bemühungen unternommen, um Umweltauswirkungen und -belastungen zu reduzieren. Insbesondere wurde in der Automobilindustrie die Entwicklung zur Förderung der Verbreitung nicht nur von kraftstoffeffizienten Fahrzeugen mit Benzinmotoren, sondern auch von sogenannten umweltfreundlichen Fahrzeugen, wie Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen, sowie zur weiteren Verbesserung der Leistung derartiger Fahrzeuge von Tag zu Tag vorangetrieben.Diverse efforts have been made worldwide to reduce environmental impacts and pressures in a variety of industries. In particular, in the automobile industry, development has been promoted day by day not only for fuel-efficient vehicles with gasoline engines, but also for so-called environmentally friendly vehicles such as hybrid vehicles or electric vehicles, and for further improving the performance of such vehicles.

Die Reinigung von Abgas und die Verbesserung der Kraftstoffwirtschaftlichkeitsleistung von Fahrzeugen erfolgen durch Erfassen der Sauerstoffkonzentration in einem Messzielgas, wie etwa Abgas, unter Verwendung eines Gassensors und durch präzises Steuern des Kraftstoffverbrauchs und der angesaugten Luftmenge.The purification of exhaust gas and the improvement of the fuel efficiency of vehicles are performed by detecting the oxygen concentration in a measurement target gas, such as exhaust gas, using a gas sensor, and precisely controlling the fuel consumption and the intake air amount.

Eine beispielhafte Grundkonfiguration eines Gassensorelements, das einen derartigen Gassensor bildet, beinhaltet einen Erfassungsabschnitt mit einem Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper, der ein Paar Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist, und einem eine Wärmeerzeugungsquelle beinhaltenden wärmeerzeugenden Körper sowie eine poröse Schutzschicht, die um den Erfassungsabschnitt gebildet ist.An exemplary basic configuration of a gas sensor element constituting such a gas sensor includes a detecting portion having a stack of a solid electrolyte body having a pair of electrodes on opposite sides thereof and a heat generating body including a heat generating body and a porous protective layer formed around the detecting portion ,

Ein Gassensor erfasst die Sauerstoffkonzentration in Abgas bei einer hohen Temperatur von etwa 400 bis 850°C. Wenn somit Wassertröpfchen (d.h. kondensiertes Wasser) in dem Abgas mit dem Gassensorelement kollidieren, das den Gassensor bildet, besteht die Befürchtung, dass aufgrund einer teilweisen Abkühlung ein Thermoschock entstehen kann, und dass aufgrund einer Volumenänderung des Elements bei einer Temperaturveränderung eine anormale Ausgabe erzeugt werden kann, die aus einem Temperaturabfall resultiert, wenn das Element feucht wird, oder dass eine anormale Ausgabe erzeugt werden kann, die aus einer Rissbildung des Elements aufgrund des Thermoschocks resultiert. Ferner wird auch befürchtet, dass metallische Verbindungen in dem kondensierten Wasser zusammen mit dem Wasser in das Element eindringen können, was wiederum den Erfassungsabschnitt des Gassensorelements vergiften kann.A gas sensor detects the oxygen concentration in exhaust gas at a high temperature of about 400 to 850 ° C. Thus, when water droplets (ie, condensed water) in the exhaust gas collide with the gas sensor element forming the gas sensor, there is a fear that thermal shock may occur due to partial cooling, and abnormal output may be generated due to a volume change of the element with a temperature change can, which results from a drop in temperature when the element is wet, or that an abnormal output can be generated, resulting from cracking of the element due to the thermal shock. Further, it is also feared that metallic compounds in the condensed water may penetrate into the element together with the water, which in turn may poison the detecting portion of the gas sensor element.

Um solche Bedenken auszuräumen, wird eine poröse Schutzschicht um den Erfassungsabschnitt des Gassensorelements vorgesehen.In order to eliminate such concerns, a porous protective layer is provided around the detecting portion of the gas sensor element.

Dabei offenbart Patentdokument 1 als herkömmlicher Stand der Technik, der ein Gassensorelement mit einer porösen Schutzschicht betrifft, ein Gassensorelement, bei dem der Umfang des Elements von einer porösen Schutzschicht aus Aluminiumoxid umgeben ist, um die Kollision von Wassertröpfchen zu unterbinden. Darüber hinaus offenbart Patentdokument 2 ein Gassensorelement mit einer porösen Schutzschicht aus einem einzelnen Siliziumcarbid- oder Aluminiumnitridmaterial oder aus einem Material, das ein Gemisch hieraus mit anderen keramischen Materialien ist. Ferner offenbart Patentdokument 3 ein Gassensorelement, das auf einer äußeren Gaseinleitfläche einer diffusiven Widerstandsschicht des Hauptkörperabschnitts des Elements, durch welche ein Messzielgas eingeleitet wird, eine poröse Schutzschicht zum Abfangen von giftigen Komponenten in dem Messzielgas aufweist, und eine auf der porösen Schutzschicht gebildete Oberflächenschutzschicht weist bei einer hohen Temperatur, bei der ein Feststoffelektrolytkörper aktiv wird, eine wasserabweisende Eigenschaft auf und besitzt eine geringere Porosität als die poröse Schutzschicht.Herein, Patent Document 1 as a conventional art relating to a gas sensor element having a porous protective layer discloses a gas sensor element in which the periphery of the element is surrounded by a porous protective layer of alumina to prevent the collision of water droplets. Moreover, Patent Document 2 discloses a gas sensor element having a porous protective layer made of a single silicon carbide or aluminum nitride material or a material which is a mixture thereof with other ceramic materials. Further, Patent Document 3 discloses a gas sensor element having on an outer gas introduction surface of a diffusive resist layer of the main body portion of the element through which a measurement target gas is introduced, a porous protective layer for trapping toxic components in the measurement target gas, and a surface protective layer formed on the porous protective layer a high temperature at which a solid electrolyte body becomes active, a water-repellent property and has a lower porosity than the porous protective layer.

Wie vorstehend beschrieben, wurden an einer porösen Schutzschicht, die um einen Erfassungsabschnitt vorgesehen ist, eine Vielzahl von Verbesserungen vorgenommen, um die Wasserbeständigkeit von Gassensorelementen zu verbessern. Insbesondere wurde in erster Linie eine Technologie in Bezug auf ein Material entwickelt, das auf die poröse Schutzschicht aufgebracht wird. Es sei erwähnt, dass in Patentdokument 3 die Oberflächenrauigkeit der Oberflächenschutzschicht, die eine niedrigere Porosität aufweist als die poröse Schutzschicht, so definiert ist, dass sie eine Rissbildung des Elements verhindert, welche andernfalls aufgrund eines Thermoschocks auftreten würde, wenn das Element feucht wird, wodurch sich die wasserabweisende Eigenschaft der Oberflächenschutzschicht sicherstellen lässt. As described above, a variety of improvements have been made on a porous protective layer provided around a detecting portion to improve the water resistance of gas sensor elements. In particular, technology has been developed primarily with respect to a material that is applied to the porous protective layer. It should be noted that in Patent Document 3, the surface roughness of the surface protective layer having a lower porosity than the porous protective layer is defined to prevent cracking of the element which would otherwise occur due to thermal shock when the element becomes wet, thereby the water-repellent property of the surface protection layer can be ensured.

Weitere erwähnenswerte Patent- und Nicht-Patentdokumente betreffen folgendes: Patentdokument 4 betrifft ein Gassensorelement mit einer Schutzschicht, die sehr beständig sein soll. Patentdokument 5 betrifft ein Gassensorelement mit einer Sensorsektion, einer Heizelementsektion und einer porösen Schutzschicht. Patentdokument 6 betrifft ein Gassensorelement mit einem Erfassungsbereich, der einen Festelektrolytkörper umfasst. Patentdokument 7 betrifft einen Keramikheizer für das Heizen eines Gassensorelements. Nicht-Patentdokument 1 betrifft technische Keramiken der Firma Kyocera.Other patent and non-patent documents worth mentioning include the following: Patent Document 4 relates to a gas sensor element having a protective layer which is required to be very durable. Patent Document 5 relates to a gas sensor element having a sensor section, a heater section, and a porous protective layer. Patent Document 6 relates to a gas sensor element having a detection area comprising a solid electrolyte body. Patent Document 7 relates to a ceramic heater for heating a gas sensor element. Non-patent document 1 relates to technical ceramics of the company Kyocera.

Durch Ausgestalten einer porösen Schutzschicht eines Gassensorelements derart, dass sie kondensiertes Wasser in Abgas abweist, wird es möglich, einen Thermoschock, der in der porösen Schutzschicht oder dem Gassensorelement erzeugt werden kann, signifikant zu reduzieren und auch ein Eindringen des kondensierten Wassers zu unterbinden und dadurch das Problem einer möglichen Vergiftung des Erfassungsabschnitts zu lösen.By configuring a porous protective layer of a gas sensor element to repel condensed water in exhaust gas, it becomes possible to significantly reduce a thermal shock that can be generated in the porous protective layer or the gas sensor element and also to inhibit the penetration of the condensed water and thereby to solve the problem of possible poisoning of the detection section.

In Bezug auf die wasserabweisende Eigenschaft der porösen Schutzschicht haben die Erfinder festgestellt, dass sich durch einen anderen Ansatz als den des herkömmlichen Standes der Technik eine poröse Schutzschicht mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft erhalten lässt.With respect to the water-repellent property of the porous protective layer, the inventors have found that a porous protective layer having an excellent water-repellent property can be obtained by a different approach than that of the conventional art.

DOKUMENTE DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIKDOCUMENTS OF THE RELATED ART

PatentdokumentePatent documents

  • Patentdokument 1: JP 2009-80110 A Patent Document 1: JP 2009-80110 A
  • Patentdokument 2: JP 2011-237222 A Patent Document 2: JP 2011-237222 A
  • Patentdokument 3: JP 2012-93330 A Patent Document 3: JP 2012-93330 A
  • Patentdokument 4: JP 2011-252894 A Patent Document 4: JP 2011-252894 A
  • Patentdokument 5: US 2010/0155240 A1 Patent Document 5: US 2010/0155240 A1
  • Patentdokument 6: US 2014/0291150 A1 Patent Document 6: US 2014/0291150 A1
  • Patentdokument 7: DE 10308558 A1 Patent Document 7: DE 10308558 A1
  • Nicht-Patentdokument 1: „Characteristics of Kyocera Technical Ceramics“. Datasheet [online]. Kyocera Corporation, July 2012Non-Patent Document 1: "Characteristics of Kyocera Technical Ceramics". Datasheet [online]. Kyocera Corporation, July 2012
  • http://web.archive.org/web/20121115045330/http://global.kyocera.com/prdct/fc/ product/pdf/material.pdf>.http://web.archive.org/web/20121115045330/http://global.kyocera.com/prdct/fc/product/pdf/material.pdf>.

KURZFASSUNGSHORT VERSION

Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorstehenden Probleme getätigt, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gassensorelements mit einer porösen Schutzschicht, die eine exzellentere wasserabweisende Eigenschaft aufweist.The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor element having a porous protective layer which has a superior water repellency.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe beinhaltet ein Gassensorelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einen Erfassungsabschnitt mit einem Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper, der mindestens ein Paar Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist, und einem eine Wärmeerzeugungsquelle beinhaltenden wärmeerzeugenden Körper sowie eine poröse Schutzschicht, die um den Erfassungsabschnitt gebildet ist. Die poröse Schutzschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK auf und ein λCpρ, welches das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m3) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist, im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2.In order to achieve the above object, a gas sensor element in accordance with the present invention includes a detection section having a stack of a solid electrolyte body having at least a pair of electrodes on opposite sides thereof and a heat generating body including a heat generating body and a porous protective layer surrounding the detection section is formed. The porous protective layer has a thermal conductivity λ in the range of 0.2 to 5 W / mK and a λCpρ, which is the product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m 3 ) and specific heat Cp (J / gK) is in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 .

Bei dem Gassensorelement in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehen zwei physikalische Werte, nämlich die Wärmeleitfähigkeit und der λCpρ-Wert (λ: Wärmeleitfähigkeit (W/mK), p: Dichte (g/m3) und Cp: spezifische Wärme (J/gK)) der porösen Schutzschicht im Vordergrund, und die numerischen Bereiche derartiger Werte sind so definiert, dass sie eine exzellentere wasserabweisende Eigenschaft der porösen Schutzschicht sicherstellen. In the gas sensor element in accordance with the present invention, two physical values, namely the thermal conductivity and the λCpρ value (λ: thermal conductivity (W / mK), p: density (g / m 3 ) and Cp: specific heat (J / gK) )) of the porous protective layer in the foreground, and the numerical ranges of such values are defined so as to ensure a more excellent water-repellent property of the porous protective layer.

Die Wärmeleitfähigkeit der porösen Schutzschicht bestimmt die Geschwindigkeit der Übertragung von Wärme von der porösen Schutzschicht auf kondensiertes Wasser, und die Geschwindigkeit bestimmt, mit welcher Leichtigkeit ein Dampffilm gebildet wird. Die Tatsache, dass ein Dampffilm leicht gebildet werden kann, bedeutet, dass die poröse Schutzschicht eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft aufweist. Neben der Leichtigkeit, mit der ein Dampffilm gebildet wird, ist auch die zur Bildung eines Dampffilms notwendige Wärmemenge ein wichtiger Faktor. Das heißt, die poröse Schutzschicht kann nur dann eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft aufweisen, wenn sie einen physikalischen Wert hat, mit dem eine zur Bildung eines Dampffilms notwendige Wärmemenge erzeugt werden kann.The thermal conductivity of the porous protective layer determines the rate of transfer of heat from the porous protective layer to condensed water, and the rate determines the ease with which a vapor film is formed. The fact that a vapor film can be easily formed means that the porous protective layer has an excellent water-repellent property. In addition to the ease with which a vapor film is formed, the amount of heat necessary to form a vapor film is also an important factor. That is, the porous protective layer can have an excellent water-repellent property only if it has a physical value capable of generating an amount of heat necessary for forming a vapor film.

Die Erfinder haben festgestellt, dass sich die wasserabweisende Leistung der porösen Schutzschicht mit hoher Genauigkeit bestimmen lässt, wenn der physikalische Wert, der der Wärmemenge entspricht, durch das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärme repräsentiert wird.The inventors have found that the water-repellent performance of the porous protective layer can be determined with high accuracy when the physical value corresponding to the heat quantity is represented by the product of thermal conductivity, density and specific heat.

Die wasserabweisende Eigenschaft der porösen Schutzschicht wird durch ein Filmsiedephänomen (d.h. Leidenfrost-Phänomen) erhalten. Das Leidenfrost-Phänomen ist dabei ein Phänomen, wonach die Oberfläche eines Wassertröpfchens, wenn dieses die Oberfläche der porösen Schutzschicht bei einer hohen Temperatur berührt, augenblicklich verdampft und der entstandene Dampf eine abschirmende Schicht zwischen der Oberfläche der porösen Schutzschicht und dem Wassertröpfchen bildet. Aufgrund des Leidenfrost-Phänomens wird selbst dann, wenn ein Wassertröpfchen an der Oberfläche der porösen Schutzschicht anhaftet, das Wassertröpfchen augenblicklich von der Oberfläche der porösen Schutzschicht abgetrennt. Dies bedeutet, dass eine wasserabweisende Eigenschaft vorliegt.The water-repellent property of the porous protective layer is obtained by a film boiling phenomenon (i.e., Leidenfrost phenomenon). The Leidenfrost phenomenon is a phenomenon whereby the surface of a water droplet, when it contacts the surface of the porous protective layer at a high temperature, instantly evaporates and the resulting vapor forms a shielding layer between the surface of the porous protective layer and the water droplet. Due to the Leidenfrost phenomenon, even if a water droplet adheres to the surface of the porous protective layer, the water droplet is immediately separated from the surface of the porous protective layer. This means that there is a water-repellent property.

Die Wärmeleitfähigkeit λ ist im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK definiert. Wenn dabei die Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von größer oder gleich 0,2 W/mK liegt, tritt ein Filmsiedephänomen auf und somit liegt eine wasserabweisende Eigenschaft vor. Somit ist der untere Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit als 0,2 W/mK definiert. Neben der wasserabweisenden Eigenschaft sind die Ansprecheigenschaften weitere wichtige Eigenschaften des Gassensorelements. Unter dem Aspekt der Ansprecheigenschaften ist der obere Grenzwert der Wärmeleitfähigkeit als 5 W/mK definiert. Es ist bekannt, dass zwischen der Wärmeleitfähigkeit und der Porosität einer porösen Schutzschicht eine Korrelation besteht, und ebenso besteht auch eine Korrelation zwischen den Ansprecheigenschaften eines Gassensorelements und der Porosität einer porösen Schutzschicht.The thermal conductivity λ is defined in the range of 0.2 to 5 W / mK. In this case, when the thermal conductivity λ is in the range of greater than or equal to 0.2 W / mK, a film boiling phenomenon occurs, and thus a water-repellent property is present. Thus, the lower limit of the thermal conductivity is defined as 0.2 W / mK. In addition to the water-repellent property, the response properties are further important properties of the gas sensor element. From the aspect of the response characteristics, the upper limit of the thermal conductivity is defined as 5 W / mK. It is known that there is a correlation between the thermal conductivity and the porosity of a porous protective layer, and there is also a correlation between the response characteristics of a gas sensor element and the porosity of a porous protective layer.

Die Erfinder haben ermittelt, dass eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft erhalten wird, wenn die Wärmeleitfähigkeit der porösen Schutzschicht bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 850°C, in dem der Gassensor gesteuert wird, in dem vorgenannten numerischen Bereich liegt.The inventors have found that an excellent water repellency is obtained when the heat conductivity of the porous protective layer is in the aforementioned numerical range at a temperature in the range of 400 to 850 ° C in which the gas sensor is controlled.

Indes ist der λCpρ-Wert im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 definiert. Hier tritt bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 850°C, der das Gassensorelement ausgesetzt ist, ein Filmsiedephänomen auf und eine wasserabweisende Eigenschaft liegt somit vor, wenn der λCpρ-Wert im Bereich von größer oder gleich 5,3 × 105 WJ/m4K2 liegt. Somit ist der untere Grenzwert des λCpρ-Wertes als 5,3 × 105 WJ/m4K2 definiert. Indes ist der obere Grenzwert des λCpρ-Wertes unter dem Aspekt der Ansprecheigenschaften als 2,1 × 107 WJ/m4K2 definiert.Meanwhile, the λCpρ value is defined in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 . Here, at a temperature of less than or equal to 850 ° C exposed to the gas sensor element, a film boiling phenomenon occurs, and a water repellency is present when the λ Cpρ value is in the range of greater than or equal to 5.3 × 10 5 WJ / m 4 K 2. Thus, the lower limit of the λCpρ value is defined as 5.3 × 10 5 WJ / m 4 K 2 . Meanwhile, the upper limit of the λCpρ value is defined as 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 from the aspect of the response characteristics.

Gemäß dem Gassensorelement der vorliegenden Erfindung kann durch Definieren der beiden physikalischen Werte Wärmeleitfähigkeit und λCpρ-Wert (λ: Wärmeleitfähigkeit (W/mK), p: Dichte (g/m3) und Cp: spezifische Wärme (J/gK)) der porösen Schutzschicht in vorbestimmten numerischen Bereichen ein Gassensorelement mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft und exzellenten Ansprecheigenschaften bereitgestellt werden.According to the gas sensor element of the present invention, by defining the two physical values, thermal conductivity and λCpρ value (λ: thermal conductivity (W / mK), p: density (g / m 3 ) and Cp: specific heat (J / gK)) of the porous ones Protective layer can be provided in predetermined numerical ranges, a gas sensor element having an excellent water-repellent property and excellent response characteristics.

Die Erfinder haben ermittelt, dass die Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK der Porosität im Bereich von 10 bis 50% der porösen Schutzschicht entspricht. Ferner haben die Erfinder auch ermittelt, dass der λCpρ-Wert im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 der Porosität im Bereich von 10 bis 50% der porösen Schutzschicht entspricht. Es sei erwähnt, dass die Porosität der porösen Schutzschicht wünschenswerterweise insbesondere auf den Bereich von etwa 30% oder den Bereich von 20 bis 50% des vorgenannten numerischen Bereichs eingestellt wird.The inventors have determined that the thermal conductivity λ in the range of 0.2 to 5 W / mK corresponds to the porosity in the range of 10 to 50% of the porous protective layer. Further, the inventors also found that the λCpρ value in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 corresponds to the porosity in the range of 10 to 50% of the porous protective layer. It should be noted that the porosity of the porous protective layer is desirably set particularly in the range of about 30% or the range of 20 to 50% of the aforementioned numerical range.

Bei dem Gassensorelements der vorliegenden Erfindung weist die poröse Schutzschicht ferner einen Kapillarradius im Bereich von 0,01 bis 10 µm auf. Further, in the gas sensor element of the present invention, the porous protective layer has a capillary radius in the range of 0.01 to 10 μm.

Infolge der Überprüfung der Beziehung zwischen dem Kapillarradius und der Gasansprechzeit der porösen Schutzschicht wurde ein Ergebnis derart erhalten, dass die Gasansprechzeit mit größerem Kapillarradius kürzer wird, und dass eine Sättigung der Gasansprechzeit bei der kürzesten Zeit erfolgt, wenn der Kapillarradius 0,01 µm beträgt. Basierend auf derartigen experimentellen Ergebnissen wird der untere Grenzwert des Kapillarradius als 0,01 µm definiert.As a result of checking the relationship between the capillary radius and the gas response time of the porous protective layer, a result has been obtained such that the gas response time becomes shorter with larger capillary radius, and saturation of the gas response time occurs at the shortest time when the capillary radius is 0.01 μm. Based on such experimental results, the lower limit of the capillary radius is defined as 0.01 μm.

Indes haben die Erfinder infolge der Überprüfung der Beziehung zwischen dem Kapillarradius der porösen Schutzschicht und der Eindringstrecke von Wassertröpfchen verifiziert, dass die Eindringstrecke mit größerem Kapillarradius länger wird, und dass die Eindringstrecke größer oder gleich 700 µm ist, was derzeit als der Höchstwert der Dicke der porösen Schutzschicht bei einem Kapillarradius von 10 µm angesehen wird. Somit wird der obere Grenzwert des Kapillarradius basierend auf den experimentellen Ergebnissen als 10 µm definiert.Meanwhile, as a result of checking the relationship between the capillary radius of the porous protective layer and the penetration of water droplets, the inventors have verified that the penetration distance with larger capillary radius becomes longer, and that the penetration distance is greater than or equal to 700 μm, which is currently considered to be the maximum value of thickness porous protective layer is considered at a capillary radius of 10 microns. Thus, the upper limit of the capillary radius is defined as 10 μm based on the experimental results.

Vorliegend kann die vorgenannte poröse Schutzschicht irgendeine der folgenden zwei Strukturen aufweisen.In the present case, the aforementioned porous protective layer may have any of the following two structures.

Die erste Struktur ist eine einlagige Struktur, die aus einem aluminiumoxidhaltigen Aggregat und einem siliziumdioxidhaltigen Beschichtungsmaterial gebildet ist. Eine Reihe von aluminiumoxidhaltigen Aggregaten sind durch Siliziumdioxid verbunden, das ein Bindemittel ist, wodurch eine poröse Schutzschicht mit einer einlagigen Struktur gebildet wird.The first structure is a single-layered structure formed of an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material. A series of alumina-containing aggregates are bonded by silica, which is a binder, thereby forming a porous protective layer having a single-layered structure.

Indes ist die zweite Struktur eine gestapelte Struktur aus einer unteren Schicht, die mit dem im Gassensorelement befindlichen Erfassungsabschnitt in Berührung steht, und einer oberen Schicht, die mit dem Äußeren des Gassensorelements in Berührung steht. Die Porosität der oberen Schicht ist vergleichsweise niedriger als jene der unteren Schicht. Zumindest die obere Schicht weist eine zweilagige Struktur auf, die aus einem aluminiumoxidhaltigen Aggregat und einem siliziumdioxidhaltigen Beschichtungsmaterial gebildet ist.Meanwhile, the second structure is a stacked structure of a lower layer which is in contact with the detection section located in the gas sensor element, and an upper layer which is in contact with the exterior of the gas sensor element. The porosity of the upper layer is comparatively lower than that of the lower layer. At least the upper layer has a two-layered structure formed of an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material.

Wenn die obere Schicht, die mit kondensiertem Wasser in Berührung stehen soll, unter Verwendung eines aluminiumoxidhaltigen Aggregats und eines siliziumdioxidhaltigen Beschichtungsmaterials gebildet wird, so dass die obere Schicht vergleichsweise dichter wird als die untere Schicht, kann die obere Schicht sicher eine wasserabweisende Eigenschaft aufweisen und die untere Schicht kann sicher die Eigenschaft aufweisen, giftige Substanzen abzufangen, da die untere Schicht poröser wird und eine größere spezifische Oberfläche hat als die obere Schicht.When the upper layer to be in contact with condensed water is formed by using an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material so that the upper layer becomes comparatively denser than the lower layer, the upper layer may surely have a water-repellent property and The lower layer may certainly have the property of trapping toxic substances, since the lower layer becomes more porous and has a larger specific surface area than the upper layer.

Wie der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist, kann gemäß dem Gassensorelement der vorliegenden Erfindung durch Definieren der beiden physikalischen Werte: Wärmeleitfähigkeit und λCpρ-Wert (λ: Wärmeleitfähigkeit (W/mK), p: Dichte (g/m3) und Cp: spezifische Wärme (J/gK)) der porösen Schutzschicht in vorbestimmten numerischen Bereichen ein Gassensorelement mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft und exzellenten Ansprecheigenschaften bereitgestellt werden.As understood from the above description, according to the gas sensor element of the present invention, by defining the two physical values: thermal conductivity and λCpρ value (λ: thermal conductivity (W / mK), p: density (g / m 3 ) and Cp: specific Heat (J / gK)) of the porous protective layer in predetermined numerical ranges, a gas sensor element having an excellent water-repellent property and excellent response characteristics can be provided.

Somit bestehen die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 1 darin, dass durch Definieren des Produkts aus Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärme ein abschirmender Film zwischen der Oberfläche des porösen Schutzfilms und einem Wassertröpfchen gebildet werden kann und somit eine exzellentere wasserabweisende Eigenschaft des porösen Schutzfilms bereitgestellt werden kann. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 2 bestehen darin, dass durch Definieren des Kapillarradius des porösen Schutzfilms eine Sättigung der Gasansprechzeit erlaubt wird und die Eindringstrecke von Wassertröpfchen maximiert werden kann. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 3 bestehen darin, dass durch Definieren der Porosität des porösen Schutzfilms die Ansprecheigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit des Gassensorelements optimiert werden können. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 4 bestehen darin, dass durch Überziehen eines Aggregats, das eine hohe Feuerbeständigkeit und große Härte aufweist, mit einem Beschichtungsmaterial unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens ein poröser Schutzfilm mit einer großen spezifischen Oberfläche gebildet werden kann. Die Wirkungsweise und vorteilhaften Wirkungen von Anspruch 5 bestehen darin, dass die obere Schicht, die mit kondensiertem Wasser in Berührung stehen soll, unter Verwendung eines aluminiumoxidhaltigen Aggregats und eines kieselsolhaltigen Beschichtungsmaterials gebildet wird, so dass die obere Schicht vergleichsweise dichter wird als die untere Schicht, wodurch die obere Schicht sicher eine wasserabweisende Eigenschaft aufweisen kann und die untere Schicht sicher die Eigenschaft aufweisen kann, giftige Substanzen abzufangen, da die untere Schicht poröser wird und eine größere spezifische Oberfläche hat als die obere Schicht.Thus, the operation and advantageous effects of claim 1 are that by defining the product of thermal conductivity, density and specific heat, a shielding film can be formed between the surface of the porous protective film and a water droplet, thus providing a more excellent water-repellent property of the porous protective film can. The operation and advantageous effects of claim 2 are that by defining the capillary radius of the porous protective film, saturation of the gas response time is allowed and the penetration distance of water droplets can be maximized. The operation and advantageous effects of claim 3 are that by defining the porosity of the porous protective film, the response characteristics and the thermal conductivity of the gas sensor element can be optimized. The operation and advantageous effects of claim 4 are that by coating an aggregate having high fire resistance and high hardness with a coating material using a sol-gel method, a porous protective film having a large specific surface area can be formed. The operation and advantageous effects of claim 5 are that the upper layer to be in contact with condensed water is formed using an alumina-containing aggregate and a siliceous coating material so that the upper layer becomes comparatively denser than the lower layer. whereby the upper layer sure a water-repellent property and the lower layer may surely have the property of trapping poisonous substances because the lower layer becomes more porous and has a larger specific surface area than the upper layer.

Figurenlistelist of figures

  • 1 ist eine schematische Darstellung, die die Ausführungsform 1 eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 1 is a schematic representation of the embodiment 1 of a gas sensor element of the present invention.
  • 2 ist eine schematische Darstellung, die die Ausführungsform 2 eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 2 is a schematic representation of the embodiment 2 of a gas sensor element of the present invention.
  • 3 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µ1 abzuweisen bzw. der eine Wasserabweisungsmenge von 3 µ1 erfüllt, und der Wärmeleitfähigkeit einer porösen Schutzschicht angeben. 3 Fig. 14 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 μ1 and satisfying a water repellency amount of 3 μ1 and the heat conductivity of a porous protective layer.
  • 4 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µ1 abzuweisen, und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht angeben. 4 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 μ1 and the λCpρ value of a porous protective layer.
  • 5 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Porosität, der Wärmeleitfähigkeit und den Ansprecheigenschaften angeben. 5 Figure 11 is a graph showing experimental results indicating the relationship between porosity, thermal conductivity and response characteristics.
  • 6 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Porosität, dem λCpρ-Wert und den Ansprecheigenschaften angeben. 6 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the porosity, the λCpρ value and the response characteristics.
  • 7 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen dem Kapillarradius, der Gasansprechzeit und der Eindringstrecke angeben. 7 Figure 11 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the capillary radius, the gas response time, and the penetration distance.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM(EN)DETAILED DESCRIPTION OF THE EMBODIMENT (S)

Nachstehend werden Ausführungsformen eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.Hereinafter, embodiments of a gas sensor element of the present invention will be described with reference to the drawings.

Ausführungsform 1 eines GassensorelementsEmbodiment 1 of a gas sensor element

1 ist eine schematische Darstellung, die die Ausführungsform 1 eines Gassensorelements der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ein in 1 gezeigtes Gassensorelement 100 beinhaltet im Allgemeinen einen Erfassungsabschnitt 10, der die Sauerstoffkonzentration in Abgas erfasst, und eine poröse Schutzschicht 20, die den Umfang des Erfassungsabschnitts 10 vor Feuchtigkeit im Abgas schützt und somit anormale Ausgaben unterbindet, die andernfalls aufgrund eines Temperaturabfalls des Erfassungsabschnitts 10, der aus dem Feuchtwerden des Erfassungsabschnitts 10 resultiert, erzeugt würden, und die auch Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid-Gas und dergleichen abfängt, das durch diesen hindurchtritt. 1 is a schematic representation of the embodiment 1 of a gas sensor element of the present invention. An in 1 shown gas sensor element 100 generally includes a detection section 10 , which detects the oxygen concentration in exhaust gas, and a porous protective layer 20 representing the scope of the acquisition section 10 Protects against moisture in the exhaust and thus prevents abnormal outputs, which otherwise due to a temperature drop of the detection section 10 which results from moistening the detection section 10 resulted, and which also intercepts hydrogen gas, carbon monoxide gas and the like, which passes through it.

Der Erfassungsabschnitt 10 beinhaltet im Allgemeinen eine Feststoffelektrolytschicht 3, die auf gegenüberliegenden Seiten derselben ein Paar Elektroden 4 aufweist, das eine Elektrode 41 auf der Messzielgasseite und eine Elektrode 42 auf der Referenzgasseite beinhaltet, eine poröse, diffusive Widerstandsschicht 2, die die Elektrode 41 auf der Messzielgasseite über einen Messzielgasraum 8 umgibt, eine abschirmende Schicht 1, die den Messzielgasraum 8 zusammen mit der porösen, diffusiven Widerstandsschicht 2 begrenzt, eine Referenzgasraum-Schutzschicht 5, die die Elektrode 42 auf der Referenzgasseite über einen Referenzgasraum 9 umgibt, und eine Wärmeerzeugungsquelle 6 und ein Wärmeerzeugungsquellensubstrat 7.The detection section 10 generally includes a solid electrolyte layer 3 which on opposite sides thereof a pair of electrodes 4 comprising an electrode 41 on the measurement target gas side and an electrode 42 on the reference gas side, a porous, diffusive resistance layer 2 that the electrode 41 on the measurement target gas side over a measurement target gas space 8th surrounds, a shielding layer 1 that the measurement target gas space 8th together with the porous, diffusive resistance layer 2 limited, a reference gas space protective layer 5 that the electrode 42 on the reference gas side via a reference gas space 9 surrounds, and a heat generation source 6 and a heat generation source substrate 7 ,

Die Wärmeerzeugungsquelle 6 beinhaltet ein Heizgerät, das ein Wärmeerzeugungskörper ist, und bildet einen Heizbereich des Gassensorelements 100, so dass dieses wärmegesteuert wird, um seine Aktivierungstemperatur zu erreichen.The heat generation source 6 includes a heater that is a heat generating body, and forms a heating area of the gas sensor element 100 so that it is thermally controlled to reach its activation temperature.

Der Erfassungsabschnitt 10 weist in der Querschnittsform, die in der Zeichnung gezeigt ist, Eckabschnitte auf, die in einer konisch zulaufenden Form ausgespart sind. Mit derartigen ausgesparten Abschnitten wird die Dicke der porösen Schutzschicht 20 an den entsprechenden Abschnitten des Erfassungsabschnitts 10 sichergestellt.The detection section 10 has in the cross-sectional shape shown in the drawing, corner portions which are recessed in a tapered shape. With such recessed portions, the thickness of the porous protective layer becomes 20 at the corresponding sections of the acquisition section 10 ensured.

Die Feststoffelektrolytschicht 3 ist aus Zirkoniumdioxid gebildet, und die Elektrode 41 auf der Messzielgasseite und die Elektrode 42 auf der Referenzgasseite sind jeweils aus Platin gebildet. Darüber hinaus weisen die abschirmende Schicht 1 und die Referenzgasraum-Schutzschicht 5 jeweils eine gasundurchlässige Innenstruktur auf und sind aus Aluminiumoxid gebildet.The solid electrolyte layer 3 is made of zirconia, and the electrode 41 on the target gas side and the electrode 42 on the reference gas side are each made of platinum. Furthermore have the shielding layer 1 and the reference gas space protective layer 5 each have a gas-impermeable inner structure and are formed of alumina.

Eine Spannung, bei der zwischen der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz und dem Strom eine lineare Korrelation besteht, wird über dem Paar Elektroden 4 angelegt, und ein Messzielgas wird mit der Elektrode 41 auf der Messzielgasseite in Berührung gebracht, während ein Referenzgas, wie Luft, mit der Elektrode 42 auf der Referenzgasseite in Berührung gebracht wird. Dann wird der Wert des Stroms, der zwischen den Elektroden in Übereinstimmung mit jeder Sauerstoffkonzentrationsdifferenz erzeugt wird, gemessen, so dass das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Fahrzeugmaschine basierend auf dem gemessenen Strom identifiziert werden kann.A voltage in which there is a linear correlation between the oxygen concentration difference and the current becomes above the pair of electrodes 4 applied, and a measurement target gas is with the electrode 41 on the measuring target gas side, while a reference gas, such as air, with the electrode 42 on the reference gas side is brought into contact. Then, the value of the current generated between the electrodes in accordance with each oxygen concentration difference is measured, so that the air-fuel ratio of the vehicle engine can be identified based on the measured current.

Die poröse, diffusive Widerstandsschicht 2 ist an einer Position vorgesehen, die den Messzielgasraum 8 um die Elektrode 41 auf der Messzielgasseite begrenzt, um die Menge des Messzielgases, das in die Elektrode 41 auf der Messzielgasseite eingebracht wird, niedrig zu halten, und ist ausgebildet, um ferner Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid-Gas und dergleichen des Abgases, welche über die poröse Schutzschicht 20 um den Erfassungsabschnitt 10 eingebracht wurden, in den Messzielgasraum 8 über die poröse, diffusive Widerstandsschicht 2 einzubringen.The porous, diffusive resistance layer 2 is provided at a position that the measurement target gas space 8th around the electrode 41 bounded on the measurement target gas side to the amount of measurement target gas entering the electrode 41 is introduced to keep down on the measurement target gas side, and is configured to further hydrogen gas, carbon monoxide gas, and the like of the exhaust gas, via the porous protective layer 20 around the detection section 10 were introduced into the measurement target gas space 8th via the porous, diffusive resistance layer 2 contribute.

Die poröse Schutzschicht 20 ist eine poröse Schicht, die Aluminiumoxid, auf dessen Oberfläche Edelmetall-Katalysatorpartikel (nicht gezeigt) geträgert sind, und Kieselsol enthält. Die Edelmetall-Katalysatorpartikel in der porösen Schutzschicht 20 können über den gesamten Bereich der porösen Schutzschicht 20 verteilt sein oder können lediglich im Seitenbereich derselben, der der porösen, diffusiven Widerstandsschicht 2 in der Nähe der Elektrode 41 auf der Messzielgasseite entspricht, verteilt sein. Alternativ kann die Menge an Edelmetall-Katalysatorpartikeln, die in der porösen Schutzschicht 20 geträgert sind, derart verteilt sein, dass eine vergleichsweise größere Menge an Edelmetall-Katalysatorpartikeln in einem Bereich geträgert ist, der beispielsweise der porösen, diffusiven Widerstandsschicht 2 entspricht. Vorliegend können als die Edelmetall-Katalysatorpartikel Palladium oder Rhodium alleine verwendet werden, oder es kann eine Legierung verwendet werden, die zwei oder mehr aus Palladium, Rhodium und Platin enthält.The porous protective layer 20 is a porous layer containing alumina on the surface of which noble metal catalyst particles (not shown) are supported, and silica sol. The noble metal catalyst particles in the porous protective layer 20 can cover the entire area of the porous protective layer 20 be distributed or can only in the side area of the same, that of the porous, diffusive resistance layer 2 near the electrode 41 on the measurement target gas side, be distributed. Alternatively, the amount of noble metal catalyst particles present in the porous protective layer 20 are supported, distributed such that a relatively larger amount of noble metal catalyst particles is supported in a range, for example, the porous, diffusive resistance layer 2 equivalent. In the present case, as the noble metal catalyst particles, palladium or rhodium alone may be used, or an alloy containing two or more of palladium, rhodium and platinum may be used.

Die poröse Schutzschicht 20 kann unter Verwendung eines sogenannten Tauchverfahrens hergestellt werden, das wiederholte Vorgänge des Eintauchens des Erfassungsabschnitts 10 in eine Schlämme beinhaltet, die ein Aluminiumoxid, Spinell, Siliziumcarbid und/oder Aluminiumnitrid enthaltendes Aggregat sowie ein Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Antimonoxid und/oder Zinkoxid enthaltendes Beschichtungsmaterial enthält, und Herausnehmen des Erfassungsabschnitts 10 aus der Schlämme und Trocknen desselben, bis eine vorbestimmte Dicke erhalten wird. Alternativ kann die poröse Schutzschicht 20 unter Verwendung eines Flammspritzverfahrens hergestellt werden, das sich zur Herstellung einer dichten Schicht eignet. Falls, was Aluminiumoxid anbelangt, Partikel aufgetragen werden, die neben α-Aluminiumoxid, γ-Aluminiumoxid, 0-Aluminiumoxid - und/oder Spinell enthalten, ist es möglich, die poröse Schutzschicht 20 mit einer großen spezifischen Oberfläche zu bilden und dadurch die Eigenschaft des Abfangens von giftigen Substanzen zu verbessern. Insbesondere wird zur Herstellung der porösen Schutzschicht 20 bevorzugt eine Schlämme verwendet, die ein aluminiumoxidhaltiges Aggregat und ein siliziumdioxidhaltiges Beschichtungsmaterial enthält.The porous protective layer 20 can be made by using a so-called dipping method, the repeated operations of immersing the detecting portion 10 in a slurry containing an alumina, spinel, silicon carbide and / or aluminum nitride-containing aggregate and a silica, alumina, titania, zirconia, antimony oxide and / or zinc oxide-containing coating material, and taking out the detection portion 10 from the slurry and drying it until a predetermined thickness is obtained. Alternatively, the porous protective layer 20 be prepared using a flame spraying process, which is suitable for the production of a dense layer. If, as regards alumina, particles containing α-alumina, γ-alumina, O-alumina and / or spinel are applied, it is possible to apply the porous protective layer 20 to form with a large specific surface and thereby improve the property of trapping toxic substances. In particular, for the preparation of the porous protective layer 20 Preferably, a slurry containing an alumina-containing aggregate and a silica-containing coating material is used.

Bei der porösen Schutzschicht 20 ist die Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK eingestellt, und ferner ist λCpρ, welches das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m3) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist, im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 eingestellt.For the porous protective layer 20 For example, the thermal conductivity λ is set in the range of 0.2 to 5 W / mK, and further, λCpρ is the product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m 3 ) and specific heat Cp (J / gK ) is set in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 .

Sind die Wärmeleitfähigkeit λ und der λCpρ-Wert in den vorgenannten numerischen Bereichen eingestellt, ist es möglich, aufgrund des Leidenfrost-Phänomens insbesondere im Temperaturbereich von 400 bis 850°C, in dem das Gassensorelement 100 gesteuert wird, eine exzellente wasserabweisende Eigenschaft und exzellente Ansprecheigenschaften bereitzustellen.If the thermal conductivity λ and the λCpρ value are set in the aforementioned numerical ranges, it is possible, due to the Leidenfrost phenomenon, particularly in the temperature range of 400 to 850 ° C, in which the gas sensor element 100 is controlled to provide excellent water repellency and excellent response characteristics.

Der Kapillarradius der porösen Schutzschicht 20 ist im Bereich von 0,01 bis 10 µm eingestellt.The capillary radius of the porous protective layer 20 is set in the range of 0.01 to 10 μm.

Wenn der Kapillarradius der porösen Schutzschicht 20 in dem vorgenannten numerischen Bereich eingestellt ist, so ist die Gasansprechzeit bei etwa 300 ms gesättigt, was insbesondere bei einem Kapillarradius von 0,01 µm die kürzeste Zeit ist. Ferner beträgt in Bezug auf die Eindringstrecke des kondensierten Wassers die Eindringstrecke 700 µm, was derzeit insbesondere bei einem Kapillarradius von 10 µm als der Höchstwert der Dicke der porösen Schutzschicht angesehen wird. Wenn somit der Kapillarradius der porösen Schutzschicht 20 im Bereich von 0,01 bis 10 µm eingestellt ist, können die Ansprecheigenschaften und die Eindringstrecke von Wassertröpfchen innerhalb von optimalen Bereichen gesteuert werden.When the capillary radius of the porous protective layer 20 is set in the aforesaid numerical range, the gas response time is saturated at about 300 ms, which is the shortest time especially at a capillary radius of 0.01 μm. Furthermore, with respect to the penetration distance of the condensed water, the penetration distance is 700 μm, which is currently regarded as the maximum value of the thickness of the porous protective layer, especially with a capillary radius of 10 μm. Thus, if the capillary radius of the porous protective layer 20 is set in the range of 0.01 to 10 μm, the response characteristics and the penetration distance of water droplets can be controlled within optimal ranges.

Ausführungsform 2 des Gassensorelements Embodiment 2 of the gas sensor element

2 ist eine schematische Darstellung, die die Ausführungsform 2 eines Gassensorelements in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Ein in 2 gezeigtes Gassensorelement 100A beinhaltet eine poröse Schutzschicht 20A mit einer zweilagigen gestapelten Struktur aus einer unteren Schicht 20Ab, die mit dem Erfassungsabschnitt 10 in Berührung steht, und einer oberen Schicht 20Aa, die mit dem Äußeren in Berührung steht. 2 is a schematic representation of the embodiment 2 of a gas sensor element in accordance with the present invention. An in 2 shown gas sensor element 100A includes a porous protective layer 20A with a two-layer stacked structure of a lower layer 20ab that with the capturing section 10 in contact, and an upper layer 20aa that is in contact with the exterior.

Bei der porösen Schutzschicht 20A ist die Porosität der oberen Schicht 20Aa vergleichsweise niedriger als jene der unteren Schicht 20Ab, und zumindest die obere Schicht 20Aa wird unter Verwendung eines Aggregats, das Aluminiumoxid, Spinell, Siliziumcarbid und/oder Aluminiumnitrid enthält, sowie eines Beschichtungsmaterials, das Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Antimonoxid und/oder Zinkoxid enthält, gebildet. Wird die obere Schicht 20Aa, die mit kondensiertem Wasser in unmittelbarer Berührung steht, unter Verwendung eines Aggregats, das Aluminiumoxid und Kieselsol enthält, und als eine vergleichsweise dichtere Schicht als die untere Schicht 20Ab gebildet, so kann die obere Schicht 20Aa sicher eine wasserabweisende Eigenschaft aufweisen, und die untere Schicht 20Ab kann sicher die Eigenschaft aufweisen, giftige Substanzen abzufangen, da die untere Schicht 20Ab poröser wird und eine größere spezifische Oberfläche hat als die obere Schicht 20Aa. Insbesondere wird zur Herstellung der porösen Schutzschicht 20Aa bevorzugt eine Schlämme verwendet, die ein aluminiumoxidhaltiges Aggregat und ein siliziumdioxidhaltiges Beschichtungsmaterial enthält.For the porous protective layer 20A is the porosity of the upper layer 20aa comparatively lower than that of the lower layer 20ab , and at least the top layer 20aa is formed using an aggregate containing alumina, spinel, silicon carbide and / or aluminum nitride and a coating material containing silica, alumina, titania, zirconia, antimony oxide and / or zinc oxide. Will the upper layer 20aa which is in direct contact with condensed water, using an aggregate containing alumina and silica sol, and as a comparatively denser layer than the lower layer 20ab formed, so can the upper layer 20aa certainly have a water-repellent property, and the lower layer 20ab can certainly have the property of trapping toxic substances as the lower layer 20ab becomes more porous and has a larger specific surface than the top layer 20aa , In particular, for the preparation of the porous protective layer 20aa Preferably, a slurry containing an alumina-containing aggregate and a silica-containing coating material is used.

Falls bei der porösen Schutzschicht 20A die Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK eingestellt ist und λCpρ, welches das Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m3) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist, im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 eingestellt ist, ist es auch möglich, das Gassensorelement 100A mit einer exzellenten wasserabweisenden Eigenschaft und exzellenten Ansprecheigenschaften bereitzustellen.If the porous protective layer 20A the thermal conductivity λ is set in the range of 0.2 to 5 W / mK and λCpρ, which is the product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m 3 ) and specific heat Cp (J / gK), is set in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 , it is also possible to use the gas sensor element 100A to provide excellent water repellency and excellent response properties.

Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µl abzuweisen, und der Wärmeleitfähigkeit einer porösen Schutzschicht, Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µl abzuweisen, und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht, und deren ErgebnisseExperiments for determining the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 .mu.l and the thermal conductivity of a porous protective layer, experiments for determining the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 .mu.l , and the λCpρ value of a porous protective layer, and their results

Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur und der Wärmeleitfähigkeit und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht durchgeführt, welche zwei physikalische Werte sind, die im Temperaturbereich von 400 bis 850°C, in dem ein Gassensor gesteuert wird, als Hinweise auf eine von der porösen Schutzschicht geforderte exzellente wasserabweisende Eigenschaft gegenüber einem Wassertröpfchen mit einer Menge von 3 µl dienen.The inventors have made experiments for determining the relationship between the ambient temperature and the thermal conductivity and the λCpρ value of a porous protective layer, which are two physical values ranging from 400 to 850 ° C in which a gas sensor is controlled an excellent water repellency required by the porous protective layer against a water droplet of 3 μl.

Vorliegend weist die poröse Schutzschicht eine einlagige Struktur auf, die in 1 gezeigt ist. Eine Schlämme wurde durch Dispergieren von 8 µm α-Aluminiumoxid, 20 Ma% Kieselsol und eines Dispergiermittels (PVA) in Wasser erzeugt, und die Schlämme wurde für einen Bereich, in dem die Porosität über 30% beträgt, unter Verwendung eines Tauchverfahrens am Umfang des Erfassungsabschnitts des Gassensorelements zur Anhaftung gebracht, und dann wurde ein zweistündiges Brennen in der Atmosphäre bei 900°C durchgeführt, um eine poröse Schutzschicht herzustellen, während für einen Bereich, in dem die Porosität im Bereich kleiner oder gleich 30% liegt, eine poröse Schutzschicht mit ähnlichen Spezifikationen unter Verwendung eines Flammspritzverfahrens hergestellt wurde.In the present case, the porous protective layer has a single-layer structure, which in 1 is shown. A slurry was prepared by dispersing 8 μm of α-alumina, 20% by mass of silica sol and a dispersing agent (PVA) in water, and the slurry was used for a range in which the porosity is over 30% by using a peripheral dipping method Detecting portion of the gas sensor element made to adhere, and then a two-hour firing in the atmosphere at 900 ° C was performed to produce a porous protective layer, while for a range in which the porosity is in the range of less than or equal to 30%, a porous protective layer with similar specifications using a flame spraying process.

3 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µl abzuweisen, und der Wärmeleitfähigkeit einer porösen Schutzschicht angeben. 4 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen der Umgebungstemperatur eines Gassensors, der imstande ist, eine Wassermenge von 3 µl abzuweisen, und dem λCpρ-Wert einer porösen Schutzschicht angeben. 3 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 μl and the thermal conductivity of a porous protective layer. 4 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between the ambient temperature of a gas sensor capable of rejecting an amount of water of 3 μl and the λCpρ value of a porous protective layer.

3 kann bestätigen, dass die Wärmeleitfähigkeit in Form einer Kurve einer quadratischen Funktion in Bezug auf die Umgebungstemperatur abnimmt und die Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von 850°C 0,2 W/mK beträgt, während die Wärmeleitfähigkeit bei einer Temperatur von etwa 500°C 5 W/mK beträgt. 3 can confirm that the thermal conductivity in the form of a quadratic function curve decreases with respect to the ambient temperature, and the thermal conductivity at a temperature of 850 ° C is 0.2 W / mK, while the thermal conductivity at a temperature of about 500 ° C becomes 5W / mK is.

Indes kann 4 bestätigen, dass der λCpρ-Wert auch in Form einer Kurve einer quadratischen Funktion in Bezug auf die Umgebungstemperatur abnimmt und der λCpρ-Wert bei einer Temperatur von 850°C 5,3 × 105 WJ/m4K2 beträgt, während der λCpρ-Wert bei einer Temperatur von etwa 500°C (d.h. einer Temperatur größer oder gleich 400°C) 2,1 × 107 WJ/m4K2 beträgt.Indes may 4 confirm that the λCpρ value also decreases in the form of a quadratic function curve with respect to the ambient temperature, and the λCpρ value at a temperature of 850 ° C decreases 5.3 × 10 5 WJ / m 4 K 2 , while the λCpρ value at a temperature of about 500 ° C (ie, a temperature equal to or greater than 400 ° C) is 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 .

Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Porosität, Wärmeleitfähigkeit und Ansprecheigenschaften, Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Porosität, λCpp-Wert und Ansprecheigenschaften, und deren ErgebnisseExperiments to determine the relationship between porosity, thermal conductivity and response properties, experiments to determine the relationship between porosity, λCpp value and response properties, and their results

Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen der jeweiligen Porosität, Wärmeleitfähigkeit und den Ansprecheigenschaften und der Beziehung zwischen der jeweiligen Porosität, dem λCpρ-Wert und den Ansprecheigenschaften durch Verändern der Porosität durchgeführt. Es sei angemerkt, dass das Verfahren zur Herstellung einer porösen Schutzschicht und die Verwendung derselben jenen in den vorgenannten Experimenten entsprechen.The inventors have made experiments for determining the relationship between the respective porosity, thermal conductivity and response characteristics and the relationship between the respective porosity, the λCpρ value and the response characteristics by changing the porosity. It should be noted that the method for producing a porous protective layer and the use thereof are the same as those in the aforementioned experiments.

5 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen Porosität, Wärmeleitfähigkeit und den Ansprecheigenschaften angeben. 6 ist eine Darstellung, die experimentelle Ergebnisse zeigt, welche die Beziehung zwischen Porosität, λCpp-Wert und den Ansprecheigenschaften angeben. 5 Figure 11 is a graph showing experimental results indicating the relationship between porosity, thermal conductivity and response characteristics. 6 Fig. 12 is a graph showing experimental results indicating the relationship between porosity, λ Cpp value and response characteristics.

5 kann bestätigen, dass die Wärmeleitfähigkeit bei einer Porosität von 50% 0,2 W/mK beträgt, während die Wärmeleitfähigkeit bei einer Porosität von 10% 5 W/mK beträgt. 5 can confirm that the thermal conductivity at a porosity of 50% is 0.2 W / mK, while the thermal conductivity at a porosity of 10% is 5 W / mK.

Aus 5 ist zu erkennen, dass die Wärmeleitfähigkeit wünschenswerterweise nicht größer als 5 W/mK ist, da die Ansprecheigenschaften zu stark werden, wenn die Porosität im Bereich von unter 10% liegt (d.h. wenn die Wärmeleitfähigkeit im Bereich von über 5 W/mK liegt).Out 5 It can be seen that the thermal conductivity is desirably not greater than 5 W / mK, since the response characteristics become too strong when the porosity is in the range of less than 10% (ie, when the thermal conductivity is in the range of over 5 W / mK).

Die in 3 und 5 gezeigten experimentellen Ergebnisse können bestätigen, dass ein bevorzugter Bereich der Wärmeleitfähigkeit der porösen Schutzschicht unter dem Aspekt der wasserabweisenden Eigenschaft und der Ansprecheigenschaften im Bereich von 0,2 bis 5 W/mK definiert werden kann.In the 3 and 5 The experimental results shown can confirm that a preferable range of the thermal conductivity of the porous protective layer can be defined in terms of the water repellency and the response characteristics in the range of 0.2 to 5 W / mK.

Indes kann 6 bestätigen, dass der λCpρ-Wert bei einer Porosität von 50% 5,3 × 105 WJ/m4K2 beträgt, während der λCpρ-Wert bei einer Porosität von 10% 2,1 × 107 WJ/m4K2 beträgt.Indes may 6 confirm that the λCpρ value at a porosity of 50% is 5.3 × 10 5 WJ / m 4 K 2 , while the λCpρ value at a porosity of 10% is 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 is.

Aus 6 ist zu erkennen, dass der λCpp-Wert wünschenswerterweise nicht größer ist als 2,1 × 107 WJ/m4K2, da die Ansprecheigenschaften zu stark werden, wenn die Porosität im Bereich von unter 10% liegt (d.h. der λCpρ-Wert im Bereich von über 2,1 × 107 WJ/m4K2 liegt).Out 6 It can be seen that the λCpp value is desirably not larger than 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 , since the response characteristics become too strong when the porosity is in the range of less than 10% (ie, the λCpρ value is in the range of over 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 ).

Die in den 4 und 6 gezeigten experimentellen Ergebnisse können bestätigen, dass ein bevorzugter Bereich des λCpρ-Werts der porösen Schutzschicht unter dem Aspekt der wasserabweisenden Eigenschaft und der Ansprecheigenschaften im Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 definiert werden kann.The in the 4 and 6 The experimental results shown can confirm that a preferable range of the λCpρ of the porous protective layer is defined to be in the range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 from the aspect of the water repellency and the response properties can.

Experimente zur Beziehung zwischen dem Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens zur wasserabweisenden Eigenschaft, und Ergebnisse derselbenExperiments on the relationship between the ratio of the cross section of a water droplet to the water repellency, and results thereof

Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen dem Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens und der wasserabweisenden Eigenschaft durchgeführt. Die Experimente verifizieren das Verhältnis zwischen der Berührungsfläche einer festen Flüssigkeit auf der porösen Schutzschicht, die bei Auftreten eines Filmsiedephänomens, wenn ein Wassertröpfchen mit einer Menge von 3 µl aufgetropft wird, eine von der porösen Schutzschicht geforderte wasserabweisende Eigenschaft aufweist, und dem Querschnitt eines Wassertröpfchens. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Verifizierung. Tabelle 1 Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens Wasserabweisende Eigenschaft 0,01 0,2 1 2 4 5 × 7 × Anmerkungen: „◯“ gibt an, dass auf der gesamten Oberfläche der porösen Schutzschicht ein Phänomen der Wasserabweisung auftritt, während „ד angibt, dass auf Teilen der Oberfläche der porösen Schutzschicht kein Phänomen der Wasserabweisung auftritt.The inventors have made experiments for determining the relationship between the ratio of the cross section of a water droplet and the water repellency. The experiments verify the relationship between the contact area of a solid liquid on the porous protective layer which, when a film boiling phenomenon occurs when a water droplet is dropped in an amount of 3 μl, has a water repellency required by the porous protective layer and the cross section of a water droplet. Table 1 below shows the results of the verification. Table 1 Ratio of the cross section of a water droplet Water-repellent property 0.01 0.2 1 2 4 5 × 7 × Notes: "◯" indicates that there is a phenomenon of water repellency on the entire surface of the porous protective layer, while "×" indicates that no water repellency phenomenon occurs on parts of the surface of the porous protective layer.

Aus Tabelle 1 ist festzustellen, dass, wenn das Verhältnis des Querschnitts eines Wassertröpfchens fünfmal so groß oder größer wird, die Temperatur der Oberfläche der porösen Schutzschicht sinkt, wenn aufgrund einer erhöhten Berührungsfläche der festen Flüssigkeit ein Dampffilm gebildet wird, so dass die Bildung eines Dampffilms auf Teilen der Schicht erschwert wird und solche Teile somit kein Phänomen der Wasserabweisung aufweisen.It is noted from Table 1 that when the ratio of the cross section of a water droplet becomes five times or more, the temperature of the surface of the porous protective layer decreases when a vapor film is formed due to an increased contact area of the solid liquid, so that the formation of a vapor film is difficult on parts of the layer and thus such parts have no phenomenon of water repellency.

Experimente zur Temperaturveränderung der Oberfläche einer porösen Schutzschicht und der wasserabweisenden Eigenschaft, und Ergebnisse derselbenExperiments to change the temperature of the surface of a porous protective layer and the water-repellent property, and results thereof

Die Erfinder haben Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen einer Temperaturveränderung der Oberfläche einer porösen Schutzschicht und der wasserabweisenden Eigenschaft durchgeführt. Die Experimente verifizieren den Grad der Temperaturveränderung der Oberfläche einer porösen Schutzschicht, die bei Auftreten eines Filmsiedephänomens, wenn ein Wassertröpfchen mit einer Tropfenmenge von 3 µl aufgetropft wird, eine von der porösen Schutzschicht geforderte wasserabweisende Eigenschaft aufweist. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Verifizierung. Tabelle 2 Temperaturveränderung der Oberfläche der porösen Schutzschicht Wasserabweisende Eigenschaft 100 130 150 200 × Anmerkungen: „◯“ gibt an, dass auf der gesamten Oberfläche der porösen Schutzschicht ein Phänomen der Wasserabweisung auftritt, während „ד angibt, dass auf Teilen der Oberfläche der porösen Schutzschicht kein Phänomen der Wasserabweisung auftritt.The inventors have made experiments for determining the relationship between a temperature change of the surface of a porous protective layer and the water repellency. The experiments verify the degree of temperature change of the surface of a porous protective layer which has a water repellency required by the porous protective layer when a film boiling phenomenon occurs when a water droplet having a drop amount of 3 μl is dropped. Table 2 below shows the results of the verification. Table 2 Temperature change of the surface of the porous protective layer Water-repellent property 100 130 150 200 × Notes: "◯" indicates that there is a phenomenon of water repellency on the entire surface of the porous protective layer, while "×" indicates that no water repellency phenomenon occurs on parts of the surface of the porous protective layer.

Aus Tabelle 2 ist festzustellen, dass die Bildung eines Dampffilms oder die Aufrechterhaltung des Dampffilms erschwert wird, wenn die Temperaturveränderung der Oberfläche der porösen Schutzschicht 150°C übersteigt (wenn der Betrag der Temperaturveränderung 150°C oder mehr beträgt). Somit liegt keine wasserabweisende Eigenschaft vor.It is noted from Table 2 that the formation of a vapor film or the maintenance of the vapor film becomes difficult when the temperature change of the surface of the porous protective layer exceeds 150 ° C (when the amount of temperature change is 150 ° C or more). Thus, there is no water-repellent property.

Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Kapillarradius, Gasansprechzeit und Eindringstrecke, und Ergebnisse derselbenExperiments to determine the relationship between capillary radius, gas response time and penetration distance, and results thereof

Die Erfinder haben ferner Experimente zum Bestimmen der Beziehung zwischen Kapillarradius, Gasansprechzeit und Eindringstrecke durchgeführt. Dabei wurde der Kapillarradius basierend auf dem Ergebnis einer Messung definiert, die durch Absondern eines Teils einer porösen Schutzschicht und Messen der Porenverteilung unter Verwendung eines Quecksilberporosimeters durchgeführt wurde.The inventors have also made experiments for determining the relationship between capillary radius, gas response time and penetration distance. Herein, the capillary radius was defined based on the result of a measurement made by segregating a part of a porous protective layer and measuring the pore distribution using a mercury porosimeter.

Als ein Verfahren zum Beurteilen der Gasansprecheigenschaften wurde eine Sensorausgabe verwendet, die durch Umschalten von Gas zwischen A/F13 (fette Seite) und A/F18 (magere Seite) für ein Exemplar eines Gassensorelements mit einer porösen Schutzschicht erhalten wurde, und 63% der Ansprechzeit der erhaltenen Sensorausgabe wurden beurteilt. Dabei wurden N2, C3H8 und O2 als das Grundgas verwendet, und O2 wurde als das Einspritzgas verwendet.As a method of judging the gas response characteristics, a sensor output obtained by switching gas between A / F13 (rich side) and A / F18 (lean side) for an example of a gas sensor element having a porous protective layer was used, and 63% of the response time the obtained sensor output was evaluated. In this case, N 2, C 3 H 8 and O 2 were used as the base gas, and O 2 was used as the injection gas.

Als ein Verfahren zum Beurteilen der Eindringstrecke wurden indes 0,3 µl einer Wasser simulierenden wässrigen Eisenchloridlösung unter Verwendung einer Ausgabevorrichtung auf ein Exemplar abgegeben, und das Exemplar wurde in Harz eingegossen. Dann wurde der Querschnitt der porösen Schutzschicht betrachtet, um die Eindringstrecke zu messen. 7 zeigt die Ergebnisse der Messung.Meanwhile, as a method of judging the penetration, 0.3 μl of a water-simulating aqueous ferric chloride solution was discharged onto a specimen using a dispenser, and the specimen was cast in resin. Then, the cross section of the porous protective layer was observed to measure the penetration distance. 7 shows the results of the measurement.

7 kann bestätigen, dass die Gasansprechzeit auf kurvenförmige Weise mit zunehmendem Kapillarradius abnimmt und die Gasansprechzeit bei etwa 300 ms gesättigt ist, welches die kürzeste Zeit ist, wenn der Kapillarradius 0,01 µm beträgt. Die Eindringstrecke von kondensiertem Wasser nimmt auf kurvenförmige Weise mit zunehmendem Kapillarradius zu, und die Eindringstrecke beträgt 700 µm, was derzeit als der Höchstwert der Dicke der porösen Schutzschicht bei einem Kapillarradius von 10 µm angesehen wird. Aus solchen Ergebnissen ist festzustellen, dass sich die Ansprecheigenschaften und die Eindringstrecke von Wassertröpfchen innerhalb optimaler Bereiche steuern lassen, wenn der Kapillarradius der porösen Schutzschicht im Bereich von 0,01 bis 10 µm eingestellt ist. 7 can confirm that the gas response time decreases in a curved manner with increasing capillary radius and the gas response time is saturated at about 300 ms, which is the shortest time when the capillary radius is 0.01 μm. The infiltration distance of condensed water increases in a curved manner with increasing capillary radius, and the penetration distance is 700 μm, which is currently regarded as the maximum value of the thickness of the porous protective layer at a capillary radius of 10 μm. From such results, it is noted that the response characteristics and the penetration distance of water droplets can be controlled within optimum ranges when the capillary radius of the porous protective layer is set in the range of 0.01 to 10 μm.

Zwar wurden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, doch sind die konkreten Ausführungsformen nicht hierauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung beinhaltet jegliche Gestaltungsänderungen und dergleichen, die im Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung möglich sind.Although the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific embodiments are not limited thereto. The present invention includes any design changes and the like that are possible within the spirit and scope of the present invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Abschirmende SchichtShielding layer
22
Poröse, diffusive WiderstandsschichtPorous, diffusive resistance layer
33
FeststoffelektrolytschichtSolid electrolyte layer
44
Elektrodenpaarelectrode pair
4141
Elektrode auf der MesszielgasseiteElectrode on the target gas side
4242
Elektrode auf der ReferenzgasseiteElectrode on the reference gas side
55
Referenzgasraum-SchutzschichtReference gas space protective layer
66
Wärmeerzeugungsquelle (Heizgerät)Heat source (heater)
77
WärmeerzeugungsquellensubstratHeat generation source substrate
88th
MesszielgasraumMeasurement target gas chamber
99
ReferenzgasraumReference gas chamber
1010
Erfassungsabschnittdetecting section
20,20A20,20A
Poröse SchutzschichtPorous protective layer
20Aa20aa
Obere SchichtUpper layer
20Ab20ab
Untere SchichtLower class
100,100A100,100A
GassensorelementGas sensor element

Claims (4)

Gassensorelement (100; 100A), umfassend: einen Erfassungsabschnitt (10), der einen Stapel aus einem Feststoffelektrolytkörper und einem Wärmeerzeugungskörper aufweist, wobei der Feststoffelektrolytkörper mindestens ein Paar Elektroden (4) auf gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist und der Wärmeerzeugungskörper eine Wärmeerzeugungsquelle (6) beinhaltet; und eine poröse Schutzschicht (20; 20A), die um den Erfassungsabschnitt (10) gebildet ist, wobei die poröse Schutzschicht (20; 20A) eine Wärmeleitfähigkeit λ in einem Bereich von 0,2 bis 5 W/mK und ein λCpρ in einem Bereich von 5,3 × 105 bis 2,1 × 107 WJ/m4K2 aufweist, wobei λCpρ ein Produkt aus Wärmeleitfähigkeit λ(W/mK), Dichte ρ(g/m3) und spezifischer Wärme Cp(J/gK) ist; und wobei die poröse Schutzschicht (20; 20A) ferner einen Kapillarradius in einem Bereich von 0,01 bis 10 µm aufweist.A gas sensor element (100; 100A) comprising: a detecting portion (10) having a stack of a solid electrolyte body and a heat generating body, said solid electrolyte body having at least a pair of electrodes (4) on opposite sides thereof and said heat generating body including a heat generating source (6) ; and a porous protective layer (20; 20A) formed around said detecting portion (10), said porous protective layer (20; 20A) having a thermal conductivity λ in a range of 0.2 to 5 W / mK and a λCpρ in a range of 5.3 × 10 5 to 2.1 × 10 7 WJ / m 4 K 2 , where λCpρ is a product of thermal conductivity λ (W / mK), density ρ (g / m 3 ) and specific heat Cp (J / gK); and wherein the porous protective layer (20; 20A) further has a capillary radius in a range of 0.01 to 10 μm. Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die poröse Schutzschicht (20; 20A) eine Porosität in einem Bereich von 10 bis 50% aufweist. Gas sensor element after Claim 1 wherein the porous protective layer (20; 20A) has a porosity in a range of 10 to 50%. Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die poröse Schutzschicht (20; 20A) eine einlagige Struktur aufweist, die ein Aggregat und ein Beschichtungsmaterial beinhaltet, wobei das Aggregat Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Spinell und/oder Aluminiumnitrid enthält und das Beschichtungsmaterial Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Antimonoxid und/oder Zinkoxid enthält.Gas sensor element after Claim 1 wherein the porous protective layer (20; 20A) has a single-layer structure comprising an aggregate and a coating material, the aggregate containing alumina, silicon carbide, spinel and / or aluminum nitride and the coating material silica, alumina, titania, zirconia, antimony oxide and / or or zinc oxide. Gassensorelement nach Anspruch 1, wobei die poröse Schutzschicht (20; 20A) eine gestapelte Struktur aus einer unteren Schicht (20Ab) und einer oberen Schicht (20Aa) aufweist, wobei die untere Schicht (20Ab) mit dem in dem Gassensorelement (100; 100A) befindlichen Erfassungsabschnitt (10) in Berührung steht und die obere Schicht (20Aa) einer Außenseite des Gassensorelements (100; 100A) gegenüberliegt, eine Porosität der oberen Schicht (20Aa) vergleichsweise niedriger ist als eine Porosität der unteren Schicht (20Ab), und mindestens die obere Schicht (20Aa) eine zweilagige Struktur aufweist, die ein Aggregat und ein Beschichtungsmaterial beinhaltet, wobei das Aggregat Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Spinell und/oder Aluminiumnitrid enthält und das Beschichtungsmaterial Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Antimonoxid und/oder Zinkoxid enthält.Gas sensor element after Claim 1 wherein the porous protective layer (20; 20A) has a stacked structure of a lower layer (20Ab) and an upper layer (20Aa), the lower layer (20Ab) being connected to the detecting section (10A) in the gas sensor element (100; ), and the upper layer (20Aa) faces an outer side of the gas sensor element (100; 100A), a porosity of the upper layer (20Aa) is comparatively lower than a porosity of the lower layer (20Ab), and at least the upper layer (20Aa ) has a two-layered structure including an aggregate and a coating material, the aggregate containing alumina, silicon carbide, spinel and / or aluminum nitride and the coating material comprises silica, alumina, titania, zirconia, antimony oxide and / or zinc oxide.
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